热电偶测温时非线性特性的线性化校正

　　热电式传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置,它是利用传感元件的电磁参数随温度变化而变化的特性来达到测量的目的。其中将温度转换为电势大小的热电式传感器叫热电偶。热电偶的种类较多,如T类、J类、K类、E类等。E类热电偶由于其产生的每度电动势高而较为常用,它适合在测量温度约为-100~800℃的氧化或惰性气体中连续使用,测量时热电偶的热端产生的电动势是几十毫伏的小信号,被测温度与产生的电动势之间关系又为非线性,须进行非线性校正。

　　1　热电偶测温的原理及非线性校正的必要性

　　就E类热电偶的热电势率而言,当温度为-100~800℃时,查得热电势率为45.2~78.4,需专门设计前级放大电路,需进行冷端补偿,专门的基准电压和放大器抑制零漂的环节等。例如,当热电偶的热端工作在0~40℃范围内,查表可得热电偶的输出电势为0~2.419 mV,冷端补偿后输出电势为25 ~ 27.419mV,这个电势经前级放大器放大,设增益为130倍的线性放大,放大器输出电压的范围则为3.250~3.564V,然后才能进行非线性校正,去显示装置显示被测温度。原理框图如图1所示。

　　热电偶测温时,输出信号作为模拟量,其非线性校正是关系测量精度好坏的关键之一。非线性校正方法较多,如折线逼近法,线性提升法等。根据E类热电偶产生的电势和温度的函数关系,可用连续有限的线性来代替,然后根据各段转折点和各段折线的斜率来设计电路,转折点多,折线越逼近曲线,精度也愈高,但太多了则会因线路本身误差而影响精度。

　　2　非线性特性的线性化校正的工作原理

　　通常采用运算放大器,当输出电压为不同范围时,相应地改变运算放大的增益,来获得所需的折线。为此根据E类热电偶的热电势率及其热电电压(绝对豪伏),经过计算,可将温度分为0~40℃,40~112℃,112~260℃,260~355℃,355~580℃,580~670℃,670~800℃七段,相应的热端输出电势可查表,这样冷端补偿后的输出电势,线性放大后的输出电压相应可得。采用精密折点单元电路组成的线性化电路,如图2所示。

　　图中A7为减法器,A1~A6为6个线性提升电路,Ui为输入信号(正值),Us为-5V的基准电压,工作原理如下:A1~A6的反相输入(n=1,2……6)端分别经电阻Rn1接到前级放大后的信号电压Ui,经电阻Rn2接到基准电压Us。以A1为例,放大器A1输出电压可正可负,取决于|Ui/R11|和|Us/R12|的大小,当|Ui/R11|<|Us/R12|时,A1输出电压为正(即Ua的值),反之,则为负。当Ua为正时,D11导通,D12截止,电路经Rf11闭环,a点电压为0V,电阻R13上没有电流流过,该折点单元对A7放大器没有任何影响。当Ua为负时,特性曲线为Ub=(-Ui/R11)*Rf12+(Us/R12)*Rf12,式中:(Us/R12)*Rf12称为延迟量。此时将有电流从A7放大器构成的运算器上流入折点单元,使A7的输出特性发生转折,产生了相应的折点,此时A7的放大倍数有所减小。由上分析可知,投入工作的折点电压取决于电阻R12的数值即延迟量(Us/R12)*Rf12。折点投入工作后使A7的输出特性发生转折,这个转折的斜率改变量取决于电阻R13的阻值。随着温度的升高,输入电压的增大,各折点单元依次投入工作,使A7的输出特性变化。从而使输出电压Uo与被测的非电量之间有线性关系,实现热电偶测量中的非线性校正。